Vloeibare waterstof wordt steeds belangrijker in de context van waterstofopslag en -transport, vooral voor toepassingen die een hoog energieverbruik vereisen, zoals zware vrachtwagens, schepen en andere grote voertuigen. Het transport van vloeibare waterstof heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van gasvormige waterstofopslag, vooral als het gaat om lange-afstandstransport en de opslagcapaciteit per voertuig.

Vloeibare waterstof wordt voornamelijk over lange afstanden vervoerd via land of zee. De capaciteit van een tankwagen voor vloeibare waterstof varieert tussen de 2,5 en 3,3 ton, wat 6 tot 8 keer de capaciteit is van een traditionele gastransporttank op 20 MPa. Het gewicht van het transportvoertuig wordt daardoor met ongeveer 30% verminderd, wat het mogelijk maakt om de economische transportafstand van vloeibare waterstof te verlengen tot meer dan 1000 km. Dit maakt het transport over lange afstanden kosteneffectiever in vergelijking met de transport van waterstof in gasvorm.

Op zee wordt vloeibare waterstof ook steeds vaker gebruikt. LH2 Europe en C-Job Naval Architects hebben een 141 meter lang schip ontworpen dat vloeibare waterstof kan vervoeren. Dit schip wordt aangedreven door waterstofbrandstofcellen en is uitgerust met drie tanks voor vloeibare waterstof, met een totale capaciteit van 37.500 m³. Dit zou voldoende zijn om 400.000 middelgrote waterstofvoertuigen of 20.000 zware vrachtwagens van brandstof te voorzien. De zeevaart biedt dus een oplossing voor het vervoer van grote hoeveelheden vloeibare waterstof over lange afstanden, waarbij het schip zelf geheel koolstofneutraal werkt door het gebruik van waterstof.

Een belangrijk aspect van het gebruik van vloeibare waterstof is de manier waarop het wordt omgezet voor gebruik in voertuigen. Wanneer vloeibare waterstof wordt afgeleverd bij tankstations, kan deze worden gepompt en verwarmd tot de gewenste druk (35 MPa/70 MPa) voor brandstofcelvoertuigen. Het voordeel van vloeibare waterstofpompen is dat ze energie-efficiënter zijn dan compressoren die gasvormige waterstof comprimeren. De waterstof wordt verwarmd met behulp van de omgevingstemperatuur, wat geen extra energieverbruik vereist. Dit maakt het een aantrekkelijke optie voor toepassingen met een hoge energiebehoefte, zoals zware vrachtwagens.

Zware vrachtwagens, die vaak een waterstofopslagcapaciteit van 50 kg of meer nodig hebben, kunnen profiteren van vloeibare waterstof in plaats van traditionele gascilinders. Hoewel het gebruik van hoge-druk waterstofcylinders nog steeds gebruikelijk is, is het volumetrische en massadichtheid van vloeibare waterstof aanzienlijk hoger. Dit betekent dat een veel kleinere tank (0,8–1,3 m³) voldoende is om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan als een groter aantal gasvormige waterstofcylinders. Dit verhoogt de efficiëntie van het voertuig en vermindert de benodigde ruimte en gewicht.

Vloeibare waterstof heeft ook voordelen op het gebied van waterstofkwaliteit. Wanneer waterstof in vloeibare vorm is, kunnen onzuiverheden zoals gassen, behalve helium, zich vastzetten en scheiden. Dit resulteert in ultra-pure waterstof die rechtstreeks kan worden gebruikt in brandstofcellen zonder verdere zuiveringsstappen. Deze hoge kwaliteit is essentieel voor voertuigen die lange levensduur en hoge prestaties van hun brandstofcelsystemen vereisen. Dit maakt vloeibare waterstof bijzonder geschikt voor voertuigen zoals zware vrachtwagens, schepen en treinen, waar de energiebehoefte groot is en de opslag van waterstof in grote hoeveelheden vereist is.

Vloeibare waterstof is niet alleen geschikt voor zware voertuigen, maar biedt ook economische voordelen, zoals een lagere energieconsumptie voor opslag, transport en tanken. Het is dus duidelijk dat vloeibare waterstof een belangrijke rol zal spelen in de toekomst van schone energie, vooral voor toepassingen die grote hoeveelheden waterstof vereisen, zoals vrachtvervoer en de scheepvaart. Het gebruik van vloeibare waterstof in deze scenario's biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van opslagcapaciteit, efficiëntie en kwaliteit van de waterstof.

Naast vloeibare waterstof bestaan er andere opslagtechnologieën die in bepaalde gevallen nuttig kunnen zijn, zoals vloeibare organische waterstofdragers (LOHC's), vloeibare ammoniak en methanol. Deze stoffen kunnen waterstof op een veilige en efficiënte manier opslaan en transporteren. LOHC's bijvoorbeeld, maken gebruik van waterstofatomen die zich binden aan organische moleculen, wat zorgt voor een hoge opslagniveau, maar het proces van waterstofopslag en -afgifte is complexer en energie-intensiever. Vloeibare ammoniak biedt daarentegen een lagere opslagtemperatuur en is gemakkelijker te transporteren, wat het een aantrekkelijke optie maakt voor seizoensgebonden opslag en transport van waterstof over lange afstanden.

Het is belangrijk dat we de ontwikkeling van deze technologieën blijven volgen, zodat de voordelen van vloeibare waterstof en andere waterstofopslagmethoden kunnen worden gemaximaliseerd, met name voor toepassingen die de grootste vraag naar energie hebben. Het creëren van een efficiënte infrastructuur voor waterstofproductie, opslag en distributie is essentieel voor de groei van de waterstofeconomie.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen en benaderingen in de modelvorming van waterstofopslag en -transport in vaste stoffen?

In de ontwikkeling van technologieën voor de opslag en het transport van waterstof spelen wiskundige modellen een cruciale rol. De voorspellende nauwkeurigheid van deze modellen is afhankelijk van de methoden die worden gebruikt om de evenwichtsdrukken en reactiesnelheden van waterstofabsorptie en -desorptie in legeringen te beschrijven. Het gebruik van benaderingen zoals de “polynoom fit + van 't Hoff-vergelijking” biedt belangrijke voordelen, zoals eenvoud en breed toepasbare, nauwkeurige resultaten. Deze methode is met name nuttig in situaties waarin de gedragingen van waterstof bij verschillende temperaturen en waterstof/massa-verhoudingen moeten worden voorspeld. Toch kent dit model ook nadelen: de polynoom die de evenwichtsdruk bij een referentietemperatuur beschrijft, heeft geen fysische betekenis en kan plotselinge veranderingen in de voorspelde evenwichtsdruk veroorzaken. Dit kan leiden tot singulariteitspunten tijdens de iteratieve oplossing, waardoor het model niet convergeert en de berekening mislukt.

Wat betreft de reactiesnelheden van waterstofabsorptie en -desorptie in legeringen zijn er verschillende methoden om deze processen te modelleren. De zogenaamde “legering-dichtheidsverschil methode,” geïntroduceerd door Mayer in 1987, berekent de absorptie- en desorptiesnelheid op basis van de dichtheidsverschillen van de legering. Deze methode wordt veel gebruikt in systemen zoals LaNi5 en ZrCo. Echter, deze methode heeft significante beperkingen. Ten eerste is de onderliggende kinetiek van waterstofabsorptie en -desorptie niet goed begrepen, en het model kan het werkelijke mechanisme van deze processen niet volledig beschrijven. Daarnaast heeft het model beperkte toepasbaarheid, vooral wanneer de controle stap of de variatie van parameters zoals druk of deeltjesgrootte een rol speelt.

In tegenstelling tot de legering-dichtheidsverschil methode, gebruiken de meeste wiskundige modellen de isotherme-isobare kinetische benadering om de reactiesnelheid van waterstofabsorptie en -desorptie in legeringen te beschrijven. Deze aanpak houdt rekening met variabelen zoals temperatuur, deeltjesgrootte, druk en de waterstof/massa-verhouding. De isotherme-isobare kinetische vergelijkingen bieden een uitgebreidere beschrijving van de reactiesnelheden en kunnen de kinetische mechanismen beter modelleren. De algemene vorm van deze vergelijking wordt vaak beschreven als:

v=k0exp⁡(−EaRgT)f(P,Peq)g(ξ)v = k_0 \exp \left( \frac{ -E_a}{R_g T} \right) f(P, P_{eq}) g(\xi)

Waarbij k0k_0 de intrinsieke snelheidsconstante is, EaE_a de activatie-energie, PP de werkelijke druk, PeqP_{eq} de evenwichtsdruk, en ξ\xi de reactiefractie is. De reactiefractie wordt gedefinieerd als de verhouding van de huidige waterstofabsorptie in de legering ten opzichte van de maximale absorptie. De isotherme-isobare kinetische benadering maakt het mogelijk om de kinetische gegevens die zijn verkregen uit experimenten te analyseren en te vertalen naar praktische vergelijkingen die de waterstofabsorptie- en desorptieprocessen beschrijven.

Ondanks de kracht van deze benaderingen zijn ze niet zonder beperkingen. De reactie- en snelheidsbepalende stappen van de waterstofabsorptie- en desorptieprocessen worden beïnvloed door een breed scala aan factoren, waaronder de deeltjesgrootte, druk, temperatuur, de bereidingsomstandigheden van de legering, en de aanwezigheid van katalytische fasen. Eenvoudige modellen die de snelheid alleen op basis van dichtheidsverschillen berekenen, kunnen de werkelijke processen niet nauwkeurig voorspellen. Om een meer gedetailleerd begrip te krijgen van de kinetiek, is het essentieel om de activatie-energie, snelheidsconstanten en de relatie tussen druk en temperatuur nauwkeurig te bepalen.

De kinetische modellen zijn vaak semi-empirisch en dus beperkt in hun toepassingsgebied. Ze kunnen enkel betrouwbare voorspellingen doen binnen het bereik van de experimenteel vastgestelde condities. Wanneer deze modellen worden geëxtrapoleerd naar andere temperatuurbereiken of drukcondities buiten de geanalyseerde gegevens, kunnen de voorspellingen onnauwkeurig worden. Het is belangrijk dat wetenschappers en ingenieurs zich hiervan bewust zijn bij het toepassen van deze modellen in de praktijk. Ondanks deze beperkingen bieden ze waardevolle inzichten in de mechanisme van waterstofopslag in vaste stoffen en kunnen ze bijdragen aan het verbeteren van de prestaties van opslagtechnologieën.

Hoe worden warmte- en massatransport in vastestof waterstofopslag beheerd?

Bij de ontwikkeling van technologieën voor de opslag en het transport van waterstof in vaste stoffen is het essentieel om de dynamiek van warmte- en massatransport grondig te begrijpen. De specifieke kenmerken van deze technologie vereisen een gedetailleerde beschrijving van de overbrengingsmechanismen die betrokken zijn bij zowel de warmteoverdracht als de massaoverdracht binnen de opslagtank.

De warmteoverdracht in de poeder- en filtergebieden van de vaste waterstofopslag is bijzonder complex. In het poedergebied, waar de waterstof wordt opgeslagen, speelt naast de warmtegeleiding tussen de legeringspoeders ook de convectieve warmteoverdracht een belangrijke rol. Deze wordt veroorzaakt door de waterstofgasstroom. De viscositeit van waterstofgas is bijzonder laag, waardoor de invloed van de viscositeitsdisipatie van het gas op de warmteoverdracht vaak verwaarloosd wordt. Vanwege de thermische effecten van de waterstofabsorptie en -desorptie, moet een warmtebronterm worden ingevoerd in de overdrachtsvergelijking. De warmteoverdrachtsvergelijking in dit gebied kan worden uitgedrukt als:

∂T∂t=(ρCp)e(∇2T+u⋅∇T)+ST\frac{\partial T}{\partial t} = (\rho C_p)_e \left( \nabla^2 T + u \cdot \nabla T \right) + S_T

Waarbij (ρCp)e(\rho C_p)_e het product is van de effectieve dichtheid en de specifieke warmtecapaciteit van het mengsel, uu de snelheid van de gasstroom, STS_T de warmtebronterm is, en λe\lambda_e de effectieve thermische geleidbaarheid van het poederbed.

In het filtergebied is er geen waterstofabsorptie of -desorptie, dus de warmtebronterm STS_T is hier altijd nul. In het poedergebied daarentegen is de waarde van STS_T gerelateerd aan de snelheid van waterstofabsorptie en -desorptie. De bijbehorende berekening wordt uitgevoerd via een formule die het aantal mol waterstofgas in relatie brengt met de snelheid van de absorptie- en desorptiereacties:

ST=MHMs⋅vS_T = \frac{M_H}{M_s} \cdot v

Waarbij MHM_H, MsM_s en MH2M_H2 de molmassa’s van waterstofgas, waterstofatomen en de legering zijn.

In de lege ruimtes binnen de opslagtank is de warmteoverdracht eenvoudiger en wordt enkel de warmteoverdracht van het waterstofgas zelf in aanmerking genomen. Deze wordt beschreven door de volgende vergelijking:

∂T∂t=ρgCp,g(∇2T+u⋅∇T)\frac{\partial T}{\partial t} = \rho_g C_{p,g} \left( \nabla^2 T + u \cdot \nabla T \right)

De warmteoverdracht in de solide gebieden van de opslagtank, zoals de binnen- en buitenmuren van roestvrij staal, wordt beschreven door de standaard vergelijking voor warmtegeleiding:

∂T∂t=ρsCp,s∇2T\frac{\partial T}{\partial t} = \rho_s C_{p,s} \nabla^2 T

Deze solide gebieden vertonen enkel thermische geleiding, zonder de invloed van convectie of absorptie/desorptie.

Naast warmteoverdracht is de massaoverdracht in de opslagstructuur van cruciaal belang voor een efficiënte werking van het systeem. In het poedergebied kan de massaoverdracht worden beschreven door de Darcy-wet, die de relatie tussen druk en gasstroom beschrijft:

Ku=−μ∇PK u = -\mu \nabla P

Hier is KK de doorlatendheid van het poederbed en μ\mu de viscositeit van het gas. De verandering van de gasdichtheid wordt geregeld door de massaoverdrachtsvergelijking, terwijl de filtergebieden geen massa-bronterm bevatten. In het poedergebied is de bronterm gerelateerd aan de snelheid van waterstofabsorptie:

SP=MHMs(1−ϵ)vS_P = \frac{M_H}{M_s} (1-\epsilon) v

In de lege gebieden wordt de stroming van waterstofgas beschreven door de Navier-Stokesvergelijkingen, die de snelheid, druk en dichtheid van het gas in rekening brengen:

ρg∂u∂t+ρgu⋅∇u=−∇P+μ∇2u\rho_g \frac{\partial u}{\partial t} + \rho_g u \cdot \nabla u = - \nabla P + \mu \nabla^2 u

De verandering van de gasdichtheid wordt dan beschreven door de volgende vergelijking:

∂ρg∂t+∇⋅(ρgu)=0\frac{\partial \rho_g}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho_g u) = 0

Het is belangrijk te realiseren dat de interactie tussen warmte- en massaoverdracht in een waterstofopslagsysteem van essentieel belang is voor de algehele prestaties van het systeem. Niet alleen de snelheid van waterstofabsorptie en -desorptie is van belang, maar ook de thermische dynamiek binnen de opslagtank kan de efficiëntie van het opslagproces aanzienlijk beïnvloeden. De keuze van materialen voor de tankstructuur, de geometriën van de poederbedden, en het beheer van de gasstroom zijn cruciaal voor het optimaliseren van de opslagcapaciteit en het verbeteren van de prestaties van het systeem. Het thermische gedrag van de materialen moet zodanig worden geoptimaliseerd dat de warmte niet alleen efficiënt wordt overgedragen maar ook goed beheerd kan worden tijdens het ontladen en opladen van de waterstof. Dit vereist een geïntegreerde benadering van het ontwerp, waarbij thermische en massatransportmodellen nauw samenwerken.

Wat zijn de recente ontwikkelingen in waterstofopslagmaterialen?

Waterstof is een veelbelovende energiedrager die kan bijdragen aan het verduurzamen van de wereldwijde energieproductie. De opslag van waterstof is echter een uitdaging die verschillende wetenschappelijke disciplines combineert, van materiaalkunde tot chemische technologie. Een van de meest onderzochte benaderingen voor het opslaan van waterstof is het gebruik van materialen die in staat zijn om waterstofmoleculen fysisch of chemisch vast te leggen. Deze benadering wordt voornamelijk onderzocht in materialen zoals metaal-organische raamwerken (MOF), koolstofnanobuizen (CNT), en metaalhydruiden.

De ontwikkeling van nieuwe materialen voor waterstofopslag richt zich vaak op het verbeteren van de volumetrische en gravimetrische opslagcapaciteit, evenals op de mogelijkheid om waterstof veilig en efficiënt op te slaan bij kamertemperatuur en bij atmosferische druk. Onderzoekers hebben onlangs veelbelovende materialen ontdekt die een hogere opslagcapaciteit hebben dan traditionele materialen zoals perslucht of vloeibare waterstof.

Bijvoorbeeld, recent onderzoek heeft aangetoond dat de distributie van nikkel-nanodeeltjes in koolstofnanobuizen de waterstofopname significant kan verhogen, wat leidt tot een verbeterde opslagcapaciteit. In een vergelijkbare richting is het gebruik van verschillende metalen, zoals calcium (Ca), kobalt (Co), ijzer (Fe), nikkel (Ni) en palladium (Pd), voor het versieren van multiwandige koolstofnanobuizen, een veelbelovende techniek voor het verbeteren van de waterstofopslag bij omgevingsomstandigheden. Deze metalen dragen bij aan het verbeteren van de chemisorptie en fysische adsorptie van waterstofmoleculen.

Een andere veelbelovende technologie is de toepassing van metaal-organische raamwerken (MOF’s). Deze materialen bieden een bijzonder grote oppervlakte en porositeit, wat essentieel is voor het adsorberen van waterstof. De laatste jaren zijn er doorbraken geweest in het ontwerp van MOF’s, waardoor ze nu in staat zijn om waterstof op te slaan bij nabij-omgevingsomstandigheden, met hogere opslagcapaciteiten dan ooit tevoren. Metaal-organische raamwerken zoals Ni2(m-dobdc) hebben recordopslagcapaciteiten bij temperaturen die dicht bij kamertemperatuur liggen. Door de poreuze structuur van deze MOF’s kunnen ze niet alleen waterstof opslaan, maar ook andere gassen zoals methaan en stikstofoxiden.

Naast de opslagcapaciteit is het belangrijk te begrijpen hoe deze materialen hun eigenschappen behouden onder verschillende operationele omstandigheden. Het ontwerp van de poriënstructuren in MOF’s kan bijvoorbeeld worden geoptimaliseerd om een hogere volumetrische werkcapaciteit te bereiken. Dit is van cruciaal belang voor toepassingen die grote hoeveelheden waterstof in een beperkte ruimte moeten opslaan, zoals in voertuigen of mobiele opslagsystemen.

De modulaire opbouw van MOF’s maakt ze ook bijzonder geschikt voor het optimaliseren van de prestaties door middel van functionalisatie. Door specifieke aanpassingen aan de moleculaire structuren kunnen deze materialen efficiënter omgaan met de opname van waterstof, met name bij het aanpassen van kristalvormen of de grootte van de kristallen. Deze aanpassingen kunnen de opslagcapaciteit en het dynamische gedrag van de materialen verbeteren.

Waterstofopslagmaterialen moeten niet alleen een hoge opslagcapaciteit hebben, maar ook veilig en kosteneffectief zijn. De engineering van materialen met een lagere kostprijs, verhoogde stabiliteit en minder gevoeligheid voor omgevingsfactoren is essentieel voor hun bredere commerciële toepassing. In de praktijk betekent dit dat waterstofopslagmaterialen, zoals MOF’s, niet alleen technisch haalbaar moeten zijn, maar ook duurzaam en schaalbaar om een breed scala aan industriële toepassingen te ondersteunen.

Er is bovendien een groeiend belang voor materialen die geschikt zijn voor de opslag en het transport van waterstof in vloeibare of organische vloeibare vormen, zoals vloeibare organische waterstofdragers (LOHC) en methylcyclohexaan (MCH). Deze materialen hebben een veel grotere volumetrische opslagcapaciteit dan gasvormige waterstof en kunnen onder mildere druk- en temperatuuromstandigheden worden opgeslagen. Dergelijke vloeibare dragers zouden een belangrijke rol kunnen spelen in de infrastructuur voor waterstofvervoer.

Wat ook van belang is, is de studie naar de kinetische eigenschappen van deze materialen. In veel gevallen is de snelheid van waterstofopname en -afgifte belangrijk voor de praktische toepasbaarheid van het materiaal. Bij voertuigen bijvoorbeeld, moet de opslagcapaciteit snel en efficiënt vrijkomen, zonder onacceptabele vertragingen. Onderzoekers proberen dus manieren te vinden om de thermodynamische en kinetische eigenschappen van de opslagmaterialen te verbeteren, zodat ze zich kunnen aanpassen aan variërende operationele omstandigheden.

Daarnaast wordt er veel aandacht besteed aan de milieuvriendelijkheid van de gebruikte materialen. Veel van de huidige materialen voor waterstofopslag worden uit zware metalen of zeldzame aardmetalen vervaardigd, wat de duurzaamheid van de technologie bemoeilijkt. Onderzoekers richten zich daarom steeds meer op het vinden van goedkopere en milieuvriendelijkere alternatieven. Het is van groot belang om materialen te ontwikkelen die niet alleen een hoge prestatie leveren, maar ook circulair kunnen worden gebruikt en gerecycled om de ecologische voetafdruk van waterstoftechnologieën te verkleinen.

De vooruitgang in waterstofopslag is dus een dynamisch en veelzijdig onderzoeksgebied, waarin vele wetenschappelijke disciplines samenkomen. Het succes van waterstoftechnologie hangt niet alleen af van het vinden van materialen met een hoge opslagcapaciteit, maar ook van de ontwikkeling van een efficiënte, veilige en duurzame infrastructuur voor productie, opslag en distributie van waterstof.

Hoe werken lineaire operatoren in de context van homogene ruimten?
Hoe is de stabiliteitstheorie van fractaal differentiaalvergelijkingen ontwikkeld?
Wat is de ware aard van menselijke manipulatie en macht in een wereld vol illusies?
Hoe Stochastische Gemiddelde Methoden Worden Toegepast op Quasi-Integrabele Hamiltoniaanse Systemen Onder Invloed van Stationaire Wijdband Ruis
Hoe Evalueer je LLM-modellen en Verbeter je Resultaten door Experimenten?